利用SWMM 模型模擬居住小區(qū)污水管網(wǎng)運行水力特征

黃棚蘭，龐晶津，于連澤，吳 軍*

（1.揚州市政管網(wǎng)有限公司，江蘇 揚州 225009；2.揚州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

1 模型簡介

SWMM 模型（Storm Water Management Model）是由美國國家環(huán)保局（US EPA）開發(fā)，通常用于模擬雨水管網(wǎng)運行的免費開源軟件，自20 世紀(jì)70 年代SWMM 軟件開發(fā)問世以來，在全世界得到廣泛的應(yīng)用[1]。目前幾乎所有SWMM 模型的應(yīng)用都局限于雨水徑流的管理[2]，它可以針對單一或者長期的徑流量和水質(zhì)進(jìn)行模擬[3]。SWMM模型中管網(wǎng)水力學(xué)的計算方法和污水管網(wǎng)水力計算方法相似，因此本文將嘗試應(yīng)用SWMM 模型針對小區(qū)居住處污水管網(wǎng)的水力狀態(tài)進(jìn)行模擬計算。

在居住小區(qū)實行完善的雨污分流，防止雨污錯接、混接是從源頭上保證高效污水收集，減輕水體污染的重要舉措[4]。目前城市污水廠普遍存在收集污水的濃度較低[5]，雨季污水量激增，污水處理效率低下的問題。提高收集污水的濃度可以確保污水處理效率的提高，特別是污水進(jìn)水中COD 濃度的提高，可以滿足污水廠反硝化脫氮所需要的碳源需求，提高污水廠總氮去除率，減少污水廠運行碳源投加量[6]。雨污錯接，雨水進(jìn)入污水管網(wǎng)是導(dǎo)致雨季污水濃度降低、污水流量增加的一個重要原因。為定量了解雨水流入對污水管網(wǎng)水力狀態(tài)的影響，本文在一典型居住小區(qū)中應(yīng)用SWMM 模型，定量分析不同雨水入流量的條件下，分析污水管網(wǎng)的運行狀態(tài)，為實施源頭雨污分流工作提供理論支持。

2 模型計算方法

針對揚州市某居住小區(qū)的污水管道布置情況，在SWMM 模型中布置主要污水干管和檢查井，設(shè)定管徑和管低標(biāo)高，主管管徑在400～600mm 之間。在每棟樓和主管之間，設(shè)置支管，支管管徑為300mm。污水主管收集每棟樓進(jìn)入支管的污水。污水管道的曼寧系數(shù)n 設(shè)定為0.01，管道截面形狀為圓形，污水管網(wǎng)的布置見圖1。

圖1 揚州某小區(qū)污水管網(wǎng)布置

每棟樓產(chǎn)生的污水量，按照每棟樓的住戶數(shù)，每戶平均4 口人，人均用水量116L 計算（由該小區(qū)自來水表日平均總用水量、該小區(qū)總戶數(shù)和每戶平均人口為4 人計算獲得）。為真實地反映不同時段的用水差異，不同時段的用水量數(shù)據(jù)按照圖2 一天24 小時內(nèi)的差異分布計算。該分布考慮24 小時內(nèi)的用水早高峰和晚高峰的情況。利用不同時段的即時用水量，而不是平均流量，可以較為準(zhǔn)確地模擬污水管網(wǎng)內(nèi)的即時污水流量，獲得污水管網(wǎng)的峰值流量。在SWMM 軟件，將圖2 設(shè)定為時間序列數(shù)據(jù)，在支管節(jié)點中設(shè)置直接入流量，并且根據(jù)每棟樓的設(shè)計人口數(shù)，設(shè)定進(jìn)入支管的污水即時流量。

圖2 某居住小區(qū)人均用水在24 小時內(nèi)的分布

為模擬雨水進(jìn)入污水管網(wǎng)導(dǎo)致污水水力狀態(tài)改變，在建立的SWMM 模型中增加降雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)。降雨從16：00 開始，22：00 結(jié)束，最大降雨強(qiáng)度為8mm/小時，和居民用水晚高峰重疊。

在實際的居住小區(qū)中，雨水徑流可以通過錯接、混接進(jìn)入污水管道，也可以通過檢查井縫隙進(jìn)入污水管道。為模擬真實情況下雨水進(jìn)入污水管的效果，將整個居住小區(qū)劃分為不同的匯水面積分區(qū)，不同匯水分區(qū)的雨水徑流分別進(jìn)入不同的污水支管。為考察不同比例的降雨徑流量進(jìn)入污水管道的情況，將各匯水分區(qū)的不透水面積比例分別設(shè)定為0%、10%、15%、20%、30%和40%，不透水表面的洼地儲水深度設(shè)定為0mm，而透水表面的洼地儲水深度設(shè)定為1000mm。這樣做的目的，可以確保不透水表面的徑流全部進(jìn)入污水管道，而透水表面的徑流完全不進(jìn)入污水管道，設(shè)定的不透水面積的百分比，即可表示為進(jìn)入污水管道的降雨徑流的百分比。

SWMM 模型計算時間設(shè)定為24 小時，其中0：00 到16：00 為旱流流量，16：00-24：00 為降雨和污水混合流量。

3 結(jié)果與討論

圖3 為雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)，比例為25%條件下，19：30 分，污水管網(wǎng)負(fù)荷的模擬結(jié)果。在無雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)的情況下，污水干管負(fù)荷均在其設(shè)計能力的50%以下；C17、C9、C10 和C11 管段的負(fù)荷均超過設(shè)計能力的50%。

圖3 雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)比例為25%條件下SWMM 模擬結(jié)果

經(jīng)模型計算，在雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)，比例為25%條件下，19：30 分J22-J2 節(jié)點管段水深剖面，在25%雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)時，J22-J2 節(jié)點管段的水深明顯較深，不過由于本模擬計算采用的雨水強(qiáng)度較低，在25%雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)的情況下，并未造成污水管負(fù)荷超過其設(shè)計能力的情況。

圖4 為不同降雨徑流進(jìn)水污水管網(wǎng)的百分比條件下，該居住小區(qū)污水排口O1 的即時流量。在無降雨徑流進(jìn)水污水管網(wǎng)的旱流條件下，小區(qū)污水排口O1 的即時流量和居民用水量波動情況類似（圖2）。在10%和30%降雨徑流進(jìn)水污水管網(wǎng)時，小區(qū)排口峰值流量明顯升高。

圖4 不同降雨徑流進(jìn)水污水管網(wǎng)的百分比條件下該居住小區(qū)污水排口O1 的即時流量

降雨徑流量進(jìn)入污水管網(wǎng)百分比從0%提高到40%，峰值流量從約4000m3/天升高到10000m3/天。峰值流量的急劇上升，會導(dǎo)致污水濃度的下降和污水處理廠運行困難，大量未處理污水直接溢流至水環(huán)境。本文的模型應(yīng)用表明，SWMM 模型可以應(yīng)用于污水管網(wǎng)的模擬，并且通過改變對匯水分區(qū)內(nèi)的不透水表面的百分比，也可以模擬雨水徑流進(jìn)入污水管網(wǎng)的情況。傳統(tǒng)的污水管道的設(shè)計計算方法采用靜態(tài)的平均流量，不能反映污水管道中的水力動態(tài)變化的特征。本文應(yīng)用SMWW 模型，結(jié)合居民用水24 小時分布的統(tǒng)計規(guī)律，可以模擬污水管網(wǎng)的動態(tài)水力特征，并且可以評價雨水入流對污水管網(wǎng)的影響。

4 結(jié)束語

SWMM 軟件的主要用途是用于模擬降雨徑流和雨水管道，本文的計算演示表面，SWMM 軟件也可以用于模擬計算污水管網(wǎng)，并且結(jié)合降雨徑流模擬，可以模擬雨水入流對污水管網(wǎng)運行的影響。并且SWMM 為開源免費軟件，可以進(jìn)行二次開發(fā)，是實現(xiàn)排水管網(wǎng)智能化管理的重要手段之一。